Энергосбережение при строительстве и реконструкции жилых зданий в России
В. И. Ливчак, канд. техн. наук, начальник Отдела энергоэффективности строительства Мосгосэкспертизы, вице-президент НП «АВОК»
В настоящее время в России значительное внимание уделяется энергосбережению в строительстве жилых зданий – объектов, которые на вложенные средства будут в течение нескольких десятков лет создавать экономию тепловой энергии. Разработана программа энергосбережения, включающая совершенствование нормативно-методической базы проектирования и перестройку стройиндустрии на возведение и реконструкцию зданий, отвечающих современным требованиям.
Начиная с 1995 года в России федеральными нормами законодательно закреплено строительство зданий с обязательным утеплением стен, например, для центральных районов (с суровостью зимы около 5 000 градусосуток отопительного периода) до приведенного сопротивления теплопередаче в 2,7–3,0 м 2 •°С/Вт, с применением 3-стекольных окон, термостатов на отопительных приборах, с оборудованием каждого здания автоматическим регулированием подачи тепла на отопление и приборами учета тепла и воды.
Московские городские строительные нормы и ряд других территориальных норм допускают снижение сопротивления теплопередаче непрозрачных наружных ограждений при условии соответствия нормам удельного расхода тепла на отопление здания за отопительный период. Это стимулирует применение оптимальных объемно-планировочных решений, эффективной системы автоматического регулирования подачи тепла на отопление, утилизации тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного, тепловых насосов и др.
Здания, сооружаемые, например, в Москве начиная с 2000 года, имеют показатель удельного расхода тепла на отопление 110–130 кВт•ч/м 2 для этажности в 9–5 этажей и 95–80 кВт•ч/м 2 для большей этажности. Это соответствует германским требованиям о тепловой защите 1995 года – 59–85 кВт•ч/м 2 , что в пересчете с числа градусосуток Германии (3 500) на российские условия составит 85–120 кВт•ч/м 2 .
На что следует обратить внимание. Сейчас образовался разрыв между практикой применения новых строительных материалов и оборудования систем инженерного обеспечения зданий и практической оценкой эффективности и даже целесообразности их применения.
Например, в большинстве типовых крупнопанельных зданий усиление теплоизоляции выполнено введением в слой утеплителя (пенополистирола) теплоотражающего экрана, что, по расчетам авторов предложения, позволило, не увеличивая толщину теплоизоляции и не меняя формы для изготовления панелей, перейти на 2-й этап требований СНиП по энергосбережению. Но испытаний, подтверждающих, что в условиях эксплуатации зданий, сооружаемых с такими панелями, фактические энергетические показатели соответствуют проектным, не проводилось.
Сейчас в новом строительстве повсеместно применяют окна, изготавливаемые по евростандарту, – теплозащитные и герметичные. Конечно, это хорошо, но вентиляция при этом стала «захлебываться». Ссылаясь на зарубежный опыт, предлагают осуществлять у нас механическую приточно-вытяжную вентиляцию в жилых домах, но за рубежом редко где строят жилые здания выше 6–7 этажей, где она действительно необходима. А как поведет себя механическая вентиляция в наших 12–22-этажных крупнопанельных зданиях с недостаточно герметичными межэтажными перекрытиями? Перед массовым внедрением должны быть проведены натурные испытания различных решений, но, насколько известно, таких испытаний не проводилось и не предполагается проводить.
В настоящее время в новом строительстве обязательным является установка термостатов перед каждым отопительным прибором. Хотя это решение связано со значительными затратами (один термостат соизмерим по стоимости с конвектором, перед которым он ставится), оно позволяет повысить комфортность и сократить теплопотребление на отопление за счет учета теплопоступлений с солнечной радиацией и от бытовых тепловыделений. Однако за рубежом одновременно с термостатом устанавливают на отопительный прибор теплоизмеритель, как правило, испарительного типа, позволяющий жильцу платить меньше за отопление, если потребление тепла уменьшается. У нас такие измерители не устанавливаются, и ничто не мешает жильцу жить комфортно в тепле и при открытых термостате и форточке, через которую «сбрасываются» все избытки тепла.
В местах массового жилищного строительства теплоснабжение зданий по-прежнему осуществляется через ЦТП, где сосредоточены устройства регулирования подачи тепла на отопление и горячее водоснабжение. При этом системы отопления каждой секции дома присоединяются к квартальным тепловым сетям от ЦТП через элеватор, основным положительным свойством которого является обеспечение постоянного коэффициента смешения (эжекции) независимо от изменения температур подаваемой или подмешиваемой воды и постоянного расхода воды из тепловой сети при неизменном располагаемом напоре независимо от изменения расхода воды, циркулирующей в системе отопления.
Однако в системах отопления с термостатами это приводит к тому, что в однотрубных системах при закрытии термостатов из-за сброса горячей воды мимо прибора растет температура обратной воды, вследствие чего возрастает температура воды в подающем трубопроводе и, соответственно, возрастает нерегулируемая теплоотдача трубопроводов стояков системы отопления, что снижает эффективность авторегулирования термостатами. В двухтрубных системах закрытие термостатов приводит к сокращению расхода воды, циркулирующей в системе, но расход сетевой воды, проходящей через сопло элеватора, остается неизменным, что также приводит к росту температуры воды в подающем трубопроводе системы отопления, а соответственно, и к нерегулируемой теплоотдаче стояков.
Во избежание этого необходимо осуществлять автоматическое регулирование температуры воды в подающем трубопроводе системы отопления по графику в зависимости от наружной температуры в местах подключения систем отопления к тепловым сетям, как это рекомендовано разделом 4 МГСН 2.01-99. В действительности это решение не выполняется.
Другое решение, повышающее эффективность теплоиспользования, – это применение квартирных горизонтальных систем отопления, исключающих прокладку стояков в комнатах и позволяющих жильцу самому по желанию менять теплопоступления в квартиру и контролировать свое теплопотребление по тепло- или водосчетчику, устанавливаемому на вводе в квартиру аналогично электросчетчику. Квартирные системы могут выполняться из гибких металлопластиковых труб и подключаться по 2-трубной схеме к стоякам, прокладываемым по лестничной клетке. Такие системы реализуются в некоторых домах по индивидуальному проекту, в типовых зданиях по-прежнему применяют вертикальные однотрубные системы отопления с постоянно действующими замыкающими участками.
Сейчас каждый строящийся жилой дом оснащается автоматизированной системой учета потребления энергоресурсов, включающей узел учета тепла, воды и электроэнергии на здание в целом, и двухтарифные электросчетчики и водосчетчики холодной и горячей воды в каждой квартире, с передачей показаний по радиосигналу в районный и центральный диспетчерские пункты. Это решение вызвало негативную реакцию фирм, производящих или поставляющих энергетические и водные ресурсы, потому что они не заинтересованы, чтобы жильцы оплачивали только то, что сами потребили.
Существующая система расчетов с населением построена таким образом, что жители за воду и отопление платят не за то, что потребили, а по норме – все одинаково. Причем нормы, например, на горячее водоснабжение завышены в 1,5 раза против фактического потребления, если обеспечивается требуемый температурный режим и минимально необходимый уровень давления. При такой системе расчетов производители и поставщики ресурсов списывают на потребителей все, что произвели, вместе со своими утечками и тепловыми потерями при транспортировке. Порочность системы в том, что производители ресурсов не заинтересованы в выявлении и устранении своих потерь, и, естественно, они будут против любой системы измерения непосредственно у потребителя. Здесь необходимо провести ряд организационных мероприятий по упорядочиванию расчетов за потребленные ресурсы, в этом может пригодиться опыт других стран.
Тормозится прогрессивное Распоряжение Правительства Москвы 1996 года «О внедрении в строительстве индивидуальных тепловых пунктов – ИТП». Вместо того чтобы организовать прием и регулирование подачи тепла на отопление и горячее водоснабжение непосредственно у потребителя этих ресурсов – в здании, по-прежнему строятся и капитально ремонтируются центральные тепловые пункты (ЦТП) на группу зданий, которые не украшают архитектуру микрорайонов, требуют многотрубных разводок от ЦТП до зданий и не могут обеспечить качественного теплоснабжения для каждого здания, но удобны организациям, обеспечивающим коммунальный комплекс энергоресурсами.
В Москве ежегодно строится 3–3,5 млн. м 2 общей площади квартир. 80% из них – это крупнопанельные дома типовых серий в 12, 14, 17 и 22 этажа. При достигнутых сопротивлениях теплопередаче структура теплопотерь таких жилых зданий следующая: доля наружных стен – 29–30%, светопрозрачных наружных ограждений – 25–26%, пола 1-го этажа и потолка последнего – 4–5%, остальные 40% – расход тепла на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха в объеме, необходимом для вентиляции по санитарным нормам (3 м 3 /ч на 1 м 2 жилой площади квартиры или 30 м 3 /ч на человека). Поэтому после решения вопросов по усилению теплозащиты зданий основным направлением энергосбережения в новом строительстве является совершенствование эффективности авторегулирования подачи тепла на отопление, снижение расхода тепла на нагрев наружного воздуха, необходимого для вентиляции жилых помещений квартиры, и сокращение потерь тепла и воды в системах горячего водоснабжения, приближая источники ее приготовления к местам потребления.
Следует отметить, что ежегодные объемы нового жилищного строительства составляют менее 2% существующего жилого фонда. Именно в сфере эксплуатации имеются огромные резервы энергосбережения и могут быть получены наиболее масштабные результаты экономии энергоресурсов, в первую очередь за счет выполнения автоматического регулирования подачи тепла на отопление – самого массового теплопотребителя. Наиболее эффективное решение – это устройство пофасадного авторегулирования, не требующего больших затрат и обеспечивающего не меньшую экономию, чем при установке термостатов.
В середине 1990-х годов в рамках программы энергосбережения в Москве нами были выполнены сопоставительные испытания системы отопления с пофасадным авторегулированием, осуществленной в двух секциях 14-этажного жилого дома, и системы отопления с термостатами (без теплоизмерителей, но с ограничением открытия) и центральным авторегулированием температуры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха – в другой секции того же дома. Экономия тепла за отопительный период в обоих случаях оказалась примерно одинаковой и составила около 15% годового теплопотребления, хотя квартиры с пофасадным регулированием пришлось перетапливать из-за жалоб одного из жильцов на низкую температуру отопительных приборов, в то время как температура воздуха была в норме – в этом недостаток принудительного регулирования подачи тепла.
Пофасадное авторегулирование позволяет одновременно сокращать теплоотдачу отопительных приборов и стояков системы отопления вплоть до полного отключения при необходимости. Таким образом, остаточная теплоотдача в таких системах отсутствует. Опыт осуществления такой системы автором в 1980-х годах на ряде зданий в Москве показал, что при наружной температуре -5–7°С система отопления освещенного солнцем фасада выключается полностью не только на период освещения этого фасада солнцем, но, как минимум, на такое же время и после – за счет отдачи тепла, саккумулированного мебелью и внутренними ограждениями.
Поэтому при реконструкции, особенно муниципальных зданий, можно ограничиться только пофасадным авторегулированием системы отопления, не устанавливая термостаты на отопительных приборах. В секционных системах с нижним и верхним розливом трубопроводов пофасадное разделение делается путем устройства перемычек в подвале и на чердаке, главный стояк одной секции питает одну пофасадную систему, а стояк другой секции используется для системы противоположного фасада.
Организовать пофасадное авторегулирование в бесчердачных зданиях еще легче, т. к. вертикально-однотрубные системы отопления выполняются с нижней разводкой подающей и обратной магистралей и П-образными стояками. Все переключения, необходимые для объединения пофасадных веток секционных систем, делаются только в подвале. Также при пофасадном авторегулировании необязательна установка термостатов на отопительных приборах, и поэтому исключаются сварочные и другие монтажные работы в квартирах. Необходимо только в нескольких комнатах установить датчики температуры внутреннего воздуха для управления регулятором отопления.
В домах с теплым чердаком, выполняющим функцию сборной камеры вытяжного воздуха, который удаляется потом на улицу через единую на секцию шахту (именно такие дома стали сооружаться в России по типовым проектам после бесчердачных зданий), облегчается установка датчиков температуры внутреннего воздуха. Аналогом этой температуры может быть температура воздуха в сборных каналах вытяжной вентиляции из кухонь квартир, ориентированных на данный фасад. Подтверждение такой возможности было экспериментально доказано на ряде объектов и принято в качестве типового решения для центрального авторегулирования подачи тепла на отопление с коррекцией по температуре внутреннего воздуха в ЦТП.
В этом случае для зданий выше 12 этажей достаточно двух датчиков температуры на каждом фасаде, и при наличии теплого чердака эти датчики устанавливаются без особых затруднений, не беспокоя жильцов. Учитывая дополнительные тепловыделения в кухнях при приготовлении пищи, экспериментально установлено, что задаваемая для поддержания в регуляторе температура увеличивается примерно на 1°С против требуемой температуры воздуха в рабочей зоне.
Однако регулирование только по отклонению внутренней температуры может привести к перерасходу тепла – при отоплении с открытыми форточками. Поэтому более оптимальным является комбинированный метод регулирования – поддержание заданного графика изменения температуры теплоносителя в системе отопления в зависимости от наружной температуры (лимитирование подачи тепла) с коррекцией графика при отклонении измеренной внутренней температуры от заданной (обратная связь для самонастраивания).
Степень коррекции графика должна быть разной. Так, снижение внутренней температуры происходит в результате действия ветра, которое может потребовать увеличение теплоотдачи системы отопления на 10–20% теплопроизводительности в расчетных условиях. При этом важно исключить повышение теплоотдачи в результате некоторого снижения внутренней температуры, происходящего при проветривании квартир. Поэтому увеличение теплоотдачи в пределах до 20% необходимо ограничить снижением температуры внутреннего воздуха с 21°С (задается для поддержания регулятору) до 20 ° С.
Повышение температуры внутреннего воздуха происходит в результате солнечной радиации, максимальное значение привлеченного тепла от которой достигает 50% расчетной теплопроизводительности системы отопления. Важно, чтобы отработка этого возмущения происходила при небольшом повышении температуры внутреннего воздуха. Поэтому степень коррекции графика на повышение температуры должна быть значительно выше, чем на понижение.
Описанная система структурно является двухконтурной, что дополнительно повышает динамическую устойчивость и точность регулирования. Первый контур, регулирующий расход тепла в зависимости от температуры наружного воздуха, является малоинерционным, что позволяет осуществлять регулирование без статической ошибки по И- или ПИ-закону. Второй контур, включающий инерционные элементы (помещение), работает по пропорциональному закону, наиболее приемлемому при наличии большой инерции объекта регулирования.
В зданиях типа «башня», где невозможно произвести разделение системы отопления на фасадные, сохраняется тот же комбинированный метод регулирования – с коррекцией графика температуры теплоносителя по отклонению температуры внутреннего воздуха. Это повысит эффективность авторегулирования и позволит выйти на требуемый режим подачи тепла даже при несоответствии теплоотдачи запроектированной системы отопления фактическим теплопотерям здания, что нередко соответствует действительности.
Все вышесказанное подтверждает, что решение системы теплоснабжения с ИТП энергоэффективней системы с ЦТП. Расчеты, выполненные нами еще 25 лет назад, показывали, что решение системы теплоснабжения с ИТП также экономичней как по капиталовложениям, так и по эксплуатационным затратам, но отсутствие тогда необходимого оборудования (компактных теплообменников, малошумных циркуляционных насосов, приборов авторегулирования тепла) и монополизм некоторых служб оставили это решение нереализованным.
Сейчас настало время реализовать это решение как в новом строительстве, так и при реконструкции. Целесообразно было бы выбрать микрорайон, где предполагается из-за ветхости ЦТП и квартальных сетей от него произвести капитальный ремонт оборудования ЦТП и перекладку трубопроводов квартальных сетей. Но вместо капремонта выполнить реконструкцию этого квартала, заменив ЦТП на ИТП, располагаемые в подвале каждого дома, или на 304 секции в многосекционных домах, разместив в них теплообменники горячего водоснабжения с малошумными циркуляционными насосами и системы управления подачей тепла на отопление и ГВС. Одновременно выполнить теплозащиту зданий и модернизацию систем отопления в них по принципам, изложенным выше. И это был бы действительно демонстрационный проект, который бы убедил сомневающихся в эффективности такого решения и позволил многократно тиражировать его не только в Москве, но и в других городах России с централизованным теплоснабжением.
